高功率电流开关的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开一般设及用于切换适于用在高功率电流注入设备中W用于地球物理测量 的电路的电路保护技术，且在更具体的实施例中设及促进精确地定时的电流转移而没有切 换加固现场装备中的电路的降级和失败的技术。
【背景技术】
[0002] 高功率电流注入设备（或发射机）长久W来被用于电流注入W用于地球物理结构 的电阻率和/或电感极化成像。示例包括与SuperSting饭R8^P/SP和SuperSting底Rl/ IP/SP装置一起使用化werSting?系列外部高功率发射机巧kW、IOkWW及15kW)，它们全部 可从德克萨斯州奥斯汀市的AdvancedGeosciences有限公司购得。因为用运些设备执行 的地球物理调查通常设及相当大的时间/资源成本且通常在可能不利的环境条件下的远 程位置进行，所W包括高功率电流注入设备在内的设备的坚固性和可靠性是重要的。因此， 需要改进的高功率电路保护设备和解决方案。
【发明内容】
[0003] 已经发现，适于W高达5-lOkV的高设备电压注入高电流（通常是几十安培）的高 功率切换电路可W使用机电和半导体开关元件的组合来提供，该组合在提供可切换的极性 时在电流注入占空比的大部分期间基本上绕过半导体开关元件。W此方式，开关元件的发 热能W改进地球物理调查装备的长期可靠性的方式被降低或管理。另外，电路保护可被提 供W解决在电感负载中的电磁场的崩溃（如可能在地球物理调查中遇到的）时生成的回流 电流。尽管所开发的设计和技术适用于地球物理调查装备，但将理解，运样的设计和技术也 适用于其他高功率切换应用。
[0004] 在一些实施例中，根据本发明，用于地球物理测量的电流注入设备包括（i)包括 四个（4)机电开关元件的H桥电路，（ii)半导体开关元件，W及（iii)机电开关元件。H桥 电路被配置成对于至少一些操作模式，可切换地控制到地球物理负载的电流注入的极性。H 桥的四个（4)机电开关元件按第一和第二高电压终端之间的串联连接的对来禪合。半导体 开关元件禪合在H桥电路和第一高电压终端之间。第五机电开关元件与半导体开关元件并 联地禪合在H桥电路和第一高电压终端之间。第五机电开关元件禪合到控制电路，控制电 路确保第五机电开关元件的状态只在半导体开关元件处于导通状态时变化。 阳0化]在一些实施例中，半导体开关元件能够在导通时通过至少15A的工作负载电流， 且能够在不导通时阻塞至少4kV的供电电压。
[0006] 在一些实施例中，电流注入设备还包括高电压电源。高电压电源驱动至少4kV的 供电电压且能够提供至少15A的工作负载电流来注入到地球物理负载。在一些情况下或实 施例中，对于基本上全部电流注入占空比，工作负载电流通过电流注入设备的相应机电开 关元件且基本上绕过其半导体开关元件。
[0007] 在一些情况下或实施例中，电流注入占空比在约IOOms和50s之间，且工作负载电 流在电流注入占空比的基本上全部期间基本上绕过半导体开关元件，而代之W通过第五机 电开关元件。
[0008] 在一些情况下或实施例中，电流注入占空比至少约100ms，且工作负载电流在电流 注入占空比的至少40%期间基本上绕过半导体开关元件，而代之W通过第五机电开关元 件。在一些情况下或实施例中，电流注入占空比优选地至少约1000ms，且工作负载电流在电 流注入占空比的至少94 %期间基本上绕过半导体开关元件，而代之W通过第五机电开关元 件。在一些情况下或实施例中，电流注入占空比更优选地约2000ms，且工作负载电流在电 流注入占空比的至少99 %期间基本上绕过半导体开关元件，而代之W通过第五机电开关元 件。
[0009] 在一些情况下或实施例中，只在W下期间工作负载电流的基本上全部才通过半导 体开关元件：（i)电流注入占空比的基本上与继电器闭合时间相一致的初始部分期间W及 (ii)电流注入占空比的由控制电路定义的最终部分期间。
[0010] 在一些情况下或实施例中，电流注入设备的机电开关元件在处于闭合状态时，在 通过工作负载电流时基本上展现出跨该元件的可忽略的压降W及对应地可忽略的发热。半 导体开关元件恰在第五机电开关元件的状态变化之前或之后短时携带工作负载电流时，展 现出跨该元件的不可忽略的压降W及对应的发热，但仅达小于约20ms的短暂时段。
[0011] 在一些情况下或实施例中，控制电路对第五机电开关元件的关闭进行精确定时， 并且从而在至少一些操作模式中提供地球物理测量的时间参考。在一些情况下或实施例 中，控制电路是现场可校准的W针对当前地球物理调查或其测量查明到地球物理负载的电 流注入的关闭的精确定时。
[0012] 在一些实施例中，电流注入设备进一步包括基于控制电路的校准来报告定时信息 的通信接口。在一些实施例中，电流注入设备进一步包括接收经校准的控制电路和到地球 物理负载的电流注入的关闭的定时要遵守的精确定时命令的通信接口。
[0013] 在一些情况下或实施例中，对于至少一些操作模式，地球物理测量包括感应极化 测量，且地球物理负载是感应负载。
[0014] 在一些实施例中，电流注入设备进一步包括与H桥并行禪合在第一和第二高电压 终端之间的瞬变电压抑制（TVS)电路。TVS电路包括串联连接的高电压阻塞二极管W阻塞 供电电流，但传递与地球物理负载中的场崩溃相关联的后向电流。
[0015] 在一些情况下或实施例中，半导体开关元件包括绝缘栅双极晶体管（IGBT)。在 一些实施例中，电流注入设备进一步包括禪合在控制电路和半导体开关元件的栅极之间的 光绝缘体。光绝缘体提供电绝缘W保护半导体开关元件免于可源自电源、控制和安全电路 (如下所述）或可能由于光照、静电放电巧SD)、射频（R巧传输、或各种其他源的电压浪涌、 瞬变、或其他运样的扰动。在一些情况下或实施例中，机电开关包括高功率继电器。
[0016] 在一些情况下或实施例中，控制电路进一步确保H桥的四个机电开关的状态仅在 半导体开关元件处于非导通状态且第五机电开关处于打开状态时才变化。
[0017] 在根据本发明的一些实施例中，一种电路保护方法包括：（i)在用于地球物理测 量的电流注入设备中，使用四个（4)机电开关元件的H桥来可控制地切换工作负载电流的 极性；（ii)在电流注入设备中，使用能够在导通时通过工作负载电流并在不导通时阻塞供 电电压的半导体开关元件精确地控制到地球物理负载的工作负载电流的注入的开启和关 闭定时；W及（iii)对与半导体开关元件并联地禪合在H桥电路和高电压供电终端之间 的第五机电开关元件的闭合和打开进行调相，使得对于工作负载电流注入的基本上全部占 空比，工作负载电流通过电流注入设备的相应机电开关元件并基本上绕过其半导体开关元 件。
[0018] 在一些实施例中，该电路保护方法进一步包括在用于地球物理测量的电流注入设 备中，使用四个（4)机电开关元件的H桥可控制地切换从至少4kV的供电电压递送的至少 15A的工作负载电流的极性。
[0019] 在一些情况下或实施例中，电流注入占空比优选地在约IOOms和50s之间，且该方 法进一步包括在电流注入占空比的基本上全部期间工作负载电流基本上绕过半导体开关 元件而代之W通过第五机电开关元件。
[0020] 在一些情况下或实施例中，电流注入占空比至少约100ms，且该方法进一步包括在 电流注入占空比的至少40%期间工作负载电流基本上绕过半导体开关元件而代之W通过 第五机电开关元件。在一些情况下或实施例中，电流注入占空比优选地至少约1000ms，且该 方法进一步包括在电流注入占空比的至少94%期间工作负载电流基本上绕过半导体开关 元件而代之W通过第五机电开关元件。在一些情况下或实施例中，电流注入占空比更优选 地至少约2000ms，且该方法进一步包括在电流注入占空比的至少99%期间工作负载电流 基本上绕过半导体开关元件而代之W通过第五机电开关元件。
[0021] 在一些实施例中，该电路保护方法进一步包括只在W下期间工作负载电流的基本 上全部才通过半导体开关元件：（i)电流注入占空比的基本上与继电器闭合时间相一致的 初始部分期间W及（ii)电流注入占空比的由控制电路定义的最终部分期间。在一些示例 中，该电路保护方法进一步包括：在处于闭合状态时，在通过工作负载电流时跨电流注入设 备的机电开关元件散失基本上可忽略的功率且相应地生成基本上可忽略的发热；W及恰在 第五机电开关元件的状态变化之前或之后使用半导体开关元件短时携带工作负载电流，半 导体开关元件展现出跨该元件的不可忽略的压降W及对应的发热，但仅达小于约20ms的 短暂时段。
[0022] 在一些情况下或实施例中，该电路保护方法进一步包括对第五机电开关元件的关 闭进行精确定时，并且从而在至少一些操作模式中提供地球物理测量的时间参考。在一些 实施例中，该电路保护方法进一步包括在现场校准控制电路的定时，W针对当前地球物理 调查或其测量查明到地球物理负载的工作负载电流注入的关闭的精确定时。
【附图说明】
[0023] 图1是根据一些实施例的包括连接到调查控制器的多个探测器的示例地球物理 调查系统的框图。
[0024] 图2是根据一些实施例的包括图1的地球物理调查系统中使用的高功率电流注入 设备的图1的调查控制器的框图。
[00巧]图3是根据一些实施例的解说图2的高功率电流注入设备的开关元件的电路图。 [00%] 图4是解说用于提供使用图2和3的高功率电流注入设备的地球物理调查系统中 的电路保护的方法的实施例的流程图。
[0027] 图5是解说图2和3的高功率电流注入设备的操